BIM技術(shù)在智慧校園協(xié)同設(shè)計中的應(yīng)用研究

紀(jì)曉鵬1 李奮杰1 李 仲 郭昊栩3 楊樹英 蔡秋婉

(1.中恒信息科技(廣州)有限公司，廣州 510000； 2.中新廣州知識城財政投資建設(shè)項目管理中心，廣州 510000； 3.華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，廣州 510000)

引言

廣州實(shí)驗中學(xué)作為黃埔區(qū)中新知識城的重點(diǎn)民生工程，擔(dān)當(dāng)著“推進(jìn)科研成果創(chuàng)新轉(zhuǎn)化，建設(shè)知識創(chuàng)造示范區(qū)，打造粵港澳大灣區(qū)高質(zhì)量發(fā)展重要引擎”的使命。項目位于廣州市黃埔區(qū)知識城獅龍大道與鳳湖五路交叉口西南側(cè)，用地面積103 000m2，總建筑面積183 532m2，共設(shè)置90個普通班，容納學(xué)生4 500人，估算總投資約15億元。將建設(shè)成集教學(xué)樓、宿舍樓、實(shí)驗樓、藝術(shù)圖書樓、學(xué)生活動中心、教育資源樓于一體的教育綜合體(如圖1所示)。

項目設(shè)計沿用傳統(tǒng)書院多軸并進(jìn)的空間秩序，同時創(chuàng)造性地提出了雙主軸規(guī)劃格局概念。在縱軸，以拾級而上呈現(xiàn)“書山有路”的傳統(tǒng)教育長軸的求知問學(xué)意象； 而在橫軸，則以貫穿高、初中部的連續(xù)拱廊形成類似“雅典學(xué)院”穿越式場景，致敬西學(xué)博雅教育典型場景。從而建立起融合中學(xué)與西學(xué)教育的縱橫向空間主題架構(gòu)，東西方教育思想的場所與氛圍在此形成相互呼應(yīng)。

圖1 項目鳥瞰圖

1 BIM應(yīng)用策劃

1.1 項目特點(diǎn)分析

(1)建筑設(shè)計多元化。學(xué)校建筑設(shè)計由單體建筑向復(fù)合化、群組化、建筑綜合體、微型城市發(fā)展，使學(xué)校建筑設(shè)計朝開放性、功能復(fù)合性、空間多義性方向發(fā)展。

(2)綠色校園建設(shè)。綠色校園被認(rèn)為是生態(tài)園林和生態(tài)城市建設(shè)的重要組成部分[1]。本項目綠色建筑級別為三星標(biāo)準(zhǔn)，在工程規(guī)劃、勘察設(shè)計、施工、驗收及備案等環(huán)節(jié)嚴(yán)格執(zhí)行建筑節(jié)能和綠色建筑三星級別的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及技術(shù)措施。

(3)多方協(xié)調(diào)難度大、周期緊。項目建設(shè)過程中參建單位多，如何保證建設(shè)管理的標(biāo)準(zhǔn)、水平及協(xié)調(diào)能力尤為重要。作為重點(diǎn)民生工程，工期緊張，而保質(zhì)保量并如期完成，對建設(shè)各方都存在挑戰(zhàn)。

(4)打造智慧校園。智慧建筑是以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、BIM、人工智能等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為依托的新型建筑生態(tài)模式[2]。本項目旨在建設(shè)利用信息化手段為基礎(chǔ)，將教學(xué)、科研、管理和校園生活進(jìn)行充分融合形成一體化環(huán)境的智慧校園。

1.2 組織架構(gòu)

項目成立全過程BIM專項小組，在項目前期和設(shè)計階段，以建設(shè)單位為中心，成立工作組并建立“雙向”工作聯(lián)系模式。組織架構(gòu)以企業(yè)內(nèi)部體系為保障層和聯(lián)絡(luò)組為BIM工作指揮中心，執(zhí)行組為BIM工作實(shí)施層，并由設(shè)計全過程BIM顧問團(tuán)隊統(tǒng)籌、指導(dǎo)和落實(shí)各項BIM工作(如圖2所示)。

圖2 組織架構(gòu)

1.3 BIM標(biāo)準(zhǔn)體系

BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)是保證BIM順利有效應(yīng)用的基礎(chǔ)[3]。因此，項目前期準(zhǔn)備階段，根據(jù)項目所屬BIM環(huán)境，積極響應(yīng)國家、廣東省及廣州市地方BIM標(biāo)準(zhǔn)，以《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T51212-2016)、《廣東省建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ/T 15-142- 2018)、《廣州市民用建筑信息模型(BIM)設(shè)計技術(shù)規(guī)范》(DB4401/T 9- 2018)、《廣州市建筑信息模型(BIM)施工應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(DB4401/T 25-2019)等作為依據(jù)，編制滿足項目要求的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、方案等，并作為BIM設(shè)計的基礎(chǔ)文件貫穿項目全過程(如圖3所示)。

圖3 BIM標(biāo)準(zhǔn)體系

2 BIM設(shè)計全過程集成應(yīng)用

2.1 基于BIM的三維協(xié)同設(shè)計

三維協(xié)同設(shè)計是企業(yè)提高BIM設(shè)計效率的必要手段[4]?；诒卷椖壳捌诓邉濍A段工作的順利開展，BIM三維模型協(xié)同設(shè)計作為實(shí)施階段的第一步，其完整的實(shí)施流程和精細(xì)化BIM模型的創(chuàng)建，對項目上下游企業(yè)間的協(xié)同、BIM模型后期延續(xù)應(yīng)用及項目整體質(zhì)量控制等方面尤為重要。

本項目BIM三維協(xié)同設(shè)計主要體現(xiàn)在方案階段模型推敲和比選，初步設(shè)計階段單體功能規(guī)劃和布局，施工圖設(shè)計階段專業(yè)深化及協(xié)同優(yōu)化，以及各階段BIM模型的延續(xù)和數(shù)據(jù)的傳遞。本節(jié)主要選取項目部分應(yīng)用進(jìn)行闡述：

圖5 陶磚幕墻

(1)“不濕鞋”的風(fēng)雨連廊

學(xué)校作為師生學(xué)習(xí)、生活和工作的主要場所，考慮南方多雨及為提升校園生活的體驗感，本項目設(shè)計基于BIM模型平臺，通過三維協(xié)同輔助學(xué)校整體布局規(guī)劃，在學(xué)校各個功能板塊間設(shè)置風(fēng)雨連廊，對連廊及其與單體連接處進(jìn)行模型精細(xì)化處理，再通過場景應(yīng)用類的BIM軟件進(jìn)行模擬和驗證，保證下雨天連廊處不積水、師生在不同建筑間穿行“不濕鞋”的效果(如圖4所示)。

圖4 風(fēng)雨連廊

(2)“多樣的”陶磚

在項目設(shè)計過程中，學(xué)校各單體外立面主要采用陶磚幕墻的形式，凸顯了濃厚的教學(xué)文化韻味。針對陶磚幕墻BIM模型，先采用Revit創(chuàng)建自適應(yīng)嵌套族(即陶磚單元)，再結(jié)合Revit+Dynamo形成參數(shù)化單元幕墻，最后通過參數(shù)控件調(diào)整陶磚單元的形式、規(guī)格及間距等，形成不同的排布形式和效果，以便陶磚外立面方案的優(yōu)化和選擇?！岸鄻拥摹碧沾u立面，使項目各單體呈現(xiàn)不同的外裝飾風(fēng)格，BIM三維參數(shù)化協(xié)同也極大提高了設(shè)計的工作效率(如圖5所示)。

(3)“豐富的”活動中心

項目活動中心集成了廚房、公共食堂、室內(nèi)游泳館、室內(nèi)體育館、空中體育場及能源中心，其功能豐富也使多專業(yè)協(xié)同成為設(shè)計的難點(diǎn)。協(xié)同設(shè)計過程包括視覺協(xié)同和綜合協(xié)調(diào)兩部分[5]，視覺協(xié)同方面主要在BIM三維模型基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，合理分析和布置各功能區(qū)域(如食堂、體育館座位的合理設(shè)計)，提高設(shè)計溝通效果； 綜合協(xié)調(diào)方面主要體現(xiàn)在解決多專業(yè)間的協(xié)調(diào)碰撞(如機(jī)電設(shè)備、鋼結(jié)構(gòu)等)，提高設(shè)計整體質(zhì)量(如圖6所示)。

圖6 活動中心

2.2 基于BIM的可視化建筑性能分析

本項目建筑節(jié)能和綠色建筑要求達(dá)到三星級別標(biāo)準(zhǔn)，通過對BIM設(shè)計模型進(jìn)行建筑性能模擬，能有效控制建筑實(shí)體的建筑環(huán)境與系統(tǒng)的整體性能。在整個工程的實(shí)施過程中，以三維設(shè)計為主導(dǎo)線索，模擬分析與BIM設(shè)計同步，通過不斷模擬優(yōu)化 BIM 設(shè)計參數(shù)[6]。根據(jù)項目的特點(diǎn)，建筑性能分析模擬主要針對各建筑區(qū)域或功能房間，通過BIM對其進(jìn)行光照、通風(fēng)、視覺、聽覺及火災(zāi)疏散等進(jìn)行分析優(yōu)化。本節(jié)主要選取項目部分模擬分析進(jìn)行闡述：

(1)“上課中”的教室

教室作為使用率最高的場所，其重要性不言而喻，為了給師生營造一個最佳的上課環(huán)境，在進(jìn)行項目BIM建筑設(shè)計過程中，根據(jù)《中小學(xué)校設(shè)計規(guī)范》(GB50099-2011)，先對教室的空間和座位進(jìn)行合理布置，形成BIM參數(shù)化模型； 再通過性能分析軟件Ecotect Analysis對模型進(jìn)行光照和通風(fēng)分析優(yōu)化，其平均采光系數(shù)達(dá)4.0%以上、自然通風(fēng)平均值為2.19m·s-1，滿足使用功能需求； 最后將優(yōu)化后的模型交互到BIM場景應(yīng)用類軟件，對特殊位置處(如最后排、最前排、邊座和角座)進(jìn)行第一視角模擬，分析上課時學(xué)生的視覺效果，以達(dá)到最優(yōu)的座位排布效果(如圖7所示)。

圖7 普通教室—性能分析

(2)“表演中”的報告廳

本項目報告廳需滿足各種校園活動表演、報告會及學(xué)術(shù)交流等，為提高舞臺表演觀賞性，通過BIM設(shè)計進(jìn)行座位參數(shù)化布置并分析優(yōu)化； 同時，為提高報告廳收音效果，通過EASE軟件對其進(jìn)行專項聲學(xué)分析優(yōu)化?；贐IM建筑性能分析，為項目創(chuàng)造一個最佳的活動表演或交流匯報環(huán)境。

(3)“比賽中”的體育館

為保證體育場使用的安全消防性能，項目上以“體育賽事狀態(tài)下”(人群密集)作為模擬環(huán)境，基于BIM設(shè)計模型下，確定建筑平面布局，尤其樓梯、門等安全出口的布置； 通過Pathfinder軟件對模擬環(huán)境進(jìn)行參數(shù)設(shè)定[7](如各區(qū)域滿負(fù)荷下人員數(shù)量、人員速度及肩寬等)并運(yùn)行計算，結(jié)果以三維可視化動態(tài)的效果展示人員疏散的全過程，并分析和優(yōu)化各疏散路徑和出口的擁擠情況和疏散時間(如圖8所示)。

圖8 體育場—疏散模擬

2.3 基于BIM的專業(yè)深化設(shè)計

BIM深化設(shè)計不僅能提高多專業(yè)協(xié)同設(shè)計質(zhì)量，提前發(fā)現(xiàn)和解決專業(yè)間碰撞問題,而且能結(jié)合其安裝工藝，分析布局合理性，不斷完善和提升設(shè)計品質(zhì)。本項目BIM深化設(shè)計主要體現(xiàn)在陶磚外立面深化、不規(guī)則幕墻深化、體育館鋼結(jié)構(gòu)屋架深化、室內(nèi)裝飾裝修及機(jī)電深化等應(yīng)用。本節(jié)主要選取陶磚外立面深化設(shè)計和機(jī)電深化設(shè)計兩部分進(jìn)行闡述：

(1)陶磚外立面深化

在項目外立面陶磚幕墻BIM設(shè)計過程中，結(jié)合其構(gòu)造形式和安裝工藝進(jìn)行BIM模型精細(xì)化處理(如圖9所示)，并通過參數(shù)化進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。例如：

1)將陶磚后面的橫向L型角鋼優(yōu)化調(diào)整為橫向的鋼片置于拼接縫中，確保從正面看不到龍骨，提升美觀的效果(如圖10所示)；

2)豎向鋼通骨架往往會影響立面整體性，其油漆選色優(yōu)化可調(diào)為與背景色一致，保證了立面的整體性、純潔性(如圖11所示)。

圖9 陶磚深化-1

圖10 陶磚深化-2

圖11 陶磚深化-3

(2)機(jī)電設(shè)備深化

BIM機(jī)電設(shè)備深化是最常見的BIM應(yīng)用之一。項目機(jī)電設(shè)備BIM設(shè)計過程中，沿用初步設(shè)計BIM模型，對機(jī)電各系統(tǒng)、各路由進(jìn)行深化，通過多專業(yè)協(xié)同方式解決專業(yè)間管線交圈問題，并以“一次管綜→二次管綜→復(fù)核→出圖及會簽”的主要流程輸出深化完成設(shè)計成果，提高設(shè)計效率(如圖12所示)。

圖12 機(jī)電深化流程

2.4 基于BIM的數(shù)據(jù)融合

本項目結(jié)合BIM、GIS及無人機(jī)航拍技術(shù)，依托地理信息環(huán)境大數(shù)據(jù)，提供各種空間查詢及空間分析，為BIM在各實(shí)施階段的可視化展示、管理、決策提供技術(shù)支持(如圖13所示)。

圖13 BIM+GIS+無人機(jī)

2.5 BIM協(xié)同管理平臺

協(xié)同設(shè)計是當(dāng)下設(shè)計行業(yè)技術(shù)更新的一個重要方向，改變了傳統(tǒng)設(shè)計分散的交流模式，實(shí)現(xiàn)了信息集中存儲與訪問，提高了各參建方協(xié)同工作的效率[8]。項目上使用廣聯(lián)達(dá)協(xié)筑云平臺作為多方BIM協(xié)同管理平臺(如圖14所示)，保證了項目各參建方、各專業(yè)間信息模型的無縫銜接和協(xié)同高效工作，主要體現(xiàn)如下幾個方面：

(1)成員管理機(jī)制，保障權(quán)責(zé)分明；

(2)數(shù)據(jù)文檔統(tǒng)一管理；

(3)線上工作任務(wù)發(fā)布及審批；

(4)線上成果審核。

圖14 項目BIM協(xié)同管理平臺

3 BIM創(chuàng)新應(yīng)用

3.1 線上協(xié)同，共同戰(zhàn)“疫”

項目實(shí)施過程中，受疫情影響，為推進(jìn)項目整體BIM工作，通過云平臺功能進(jìn)行線上協(xié)同辦公，及時召開線上視頻會議，保證了協(xié)同設(shè)計方案溝通、技術(shù)交流及成果交付等工作的順利開展，大大提高了特殊時期的工作效率(如圖15所示)。

圖15 線上工作協(xié)同

3.2 CIM試點(diǎn)&BIM三維審查

本項目作為廣州市CIM平臺測試項目，前期積極配合有關(guān)單位開展測試工作，并提出相關(guān)有效建議； 同時，作為廣州市施工圖BIM三維審查地試點(diǎn)項目范圍，積極響應(yīng)政府要求，開展項目BIM審查測試工作(如圖16所示)。

圖16 廣州市BIM審查平臺

CIM平臺測試和BIM三維審查工作的開展，有效地提高了項目參與人員及參建單位對CIM/BIM審查的認(rèn)識，也為本項目及各參建企業(yè)后續(xù)項目BIM審查工作奠定了經(jīng)驗基礎(chǔ)。

3.3 基于BIM軟件的自主研發(fā)

項目實(shí)施過程中，為實(shí)現(xiàn)BIM設(shè)計工作簡約、高效落實(shí)，項目團(tuán)隊基于Autodesk為Revit軟件提供的API接口，可以通過API編程直接讀取到這些信息[9]，針對性的開發(fā)功能約50項，增加了本項目及后續(xù)項目BIM應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益。局部功能闡述如下：

(1)構(gòu)件庫管理

構(gòu)件庫管理(如圖17所示)是基于《企業(yè)族庫使用方案》與架設(shè)的云服務(wù)器，集下載/上傳/制作/瀏覽為一身，規(guī)范化企業(yè)內(nèi)部族庫的使用習(xí)慣，同時可根據(jù)項目需求增設(shè)專屬的“項目構(gòu)件庫”，能有效協(xié)調(diào)統(tǒng)一項目成員對各類型族的使用，提高項目成果的統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)化。

圖17 構(gòu)件庫管理

(2)二三維聯(lián)動

二三維聯(lián)動(如圖18所示)主要是通過在二維(或三維)視圖下選擇相應(yīng)構(gòu)件，能自動在三維(或二維)視圖下找到相對應(yīng)位置構(gòu)件的功能，實(shí)現(xiàn)了多專業(yè)在協(xié)調(diào)溝通上能準(zhǔn)確、快速進(jìn)行定位，極大提高了設(shè)計交底、多專業(yè)協(xié)調(diào)會等的工作效率。

圖18 二三維聯(lián)動

(3)自定義工作集

自定義工作集(如圖19所示)是項目成員根據(jù)自身軟件功能使用習(xí)慣，將經(jīng)常性調(diào)取的功能模塊自定義到同一面板，如“構(gòu)件可見性”、“構(gòu)件上色”等，提高軟件功能使用效率，以輔助提高項目工作。

圖19 自定義工具集

3.4 BIM+智慧校園

基于本項目前期可研階段中“建設(shè)BIM+智慧校園的智能化集成系統(tǒng)”的明確要求，制定工作前置方案，將BIM+智慧校園工作提前計劃和實(shí)施，制定并開展如下6步工作：

(1)BIM+智慧校園系統(tǒng)定義；

(2)智能化系統(tǒng)設(shè)計；

(3)BIM運(yùn)維平臺調(diào)研；

(4)確定BIM運(yùn)維平臺功能模塊；

(5)分析對比(接口要求)；

(6)項目運(yùn)維(BIM)模型標(biāo)準(zhǔn)。

簡而言之，提前將BIM運(yùn)維內(nèi)容結(jié)合到前期工作，能為BIM+智慧校園的建設(shè)工作奠定堅實(shí)基礎(chǔ), 同時保證各階段數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和集成化，以便后期運(yùn)維管理使用。

4 總結(jié)與展望

本項目BIM設(shè)計的集成應(yīng)用為打造綠色、健康的智慧校園奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。同時，項目的建成有利于當(dāng)?shù)剡M(jìn)一步提高基礎(chǔ)教學(xué)質(zhì)量和辦學(xué)效益，推進(jìn)城市義務(wù)教育現(xiàn)代化進(jìn)程，促進(jìn)城市化建設(shè)，為中新廣州知識城實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)教育長遠(yuǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)打下良好的基礎(chǔ)。

基于BIM技術(shù)在設(shè)計全過程中的集成應(yīng)用成果，BIM技術(shù)將延伸到項目建造的整個過程。接下來，項目BIM技術(shù)的實(shí)施將在BIM/CIM三維審查、BIM機(jī)電預(yù)制裝配式施工、BIM+智慧工地及BIM+智慧校園等方面繼續(xù)落實(shí)并深入研究，也將繼續(xù)探索BIM技術(shù)在項目全生命周期的應(yīng)用與價值。